Modulación TPWM-DM para inversores de potencia

(1)

UNIVERSIDAD DE MÁLAGA

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

Tesis Doctoral

MODULACIÓN TPWM-DM PARA

INVERSORES DE POTENCIA

Autor: Pedro Juan Sotorrío Ruiz

Directores: Dr. Francisco M. Pérez Hidalgo

Dr. Juan Ramón Heredia Larrubia

Programa de doctorado: Ingeniería y gestión de proyectos

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Autor: Pedro Juan Sotorrío ruiz

http://orcid.org/0000-0002-2850-2817

EditA: Publicaciones y Divulgación Científica. Universidad de Málaga

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No se puede hacer uso comercial de la obra y no se puede alterar, transformar o hacer

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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE

INGENIERÍA INDUSTRIAL

Departamento de Ingeniería Eléctrica

Área de conocimiento de Ingeniería Eléctrica

TESIS DOCTORAL

Modulación TPWM-DM para

inversores de potencia

Autor: Pedro Juan Sotorrío Ruiz

Ingeniero en Electrónica

Directores:

Dr. Francisco M. Pérez Hidalgo

Dr. Juan Ramón Heredia Larrubia

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MODULACIÓN TPWM-DM PARA INVERSORES DE POTENCIA

AGRADECIMIENTOS 1

Agradecimientos

A mis directores de tesis, por los consejos y las ayudas que me han ofrecido a

lo largo del desarrollo de la misma.

A las personas que componen el Departamento de Ingeniería Eléctrica y a las del Departamento de Tecnología Electrónica por su apoyo y ayuda durante la

elaboración de esta tesis. En particular a los Doctores D. Francisco David Trujillo Aguilera y D. Francisco José Sánchez Pacheco, por su apoyo incondicional y empuje,

mucho más allá de la tesis en sí misma.

A mi familia, que ha soportado un largo periodo de ausencias para la preparación y redacción de esta tesis, en la confianza de que sea recuperable. Y,

especialmente, a mi hija Gloria que ha leído y releído este documento en busca de todo tipo de defectos, y ha aportado importantes sugerencias gracias a las cuales ha

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RESUMEN (ABSTRACT) 1

Resumen

Las características de una forma de onda modulada PWM, como la amplitud

de la frecuencia fundamental o su perfil de armónicos, dependen de la técnica utilizada para su obtención. Cada técnica persigue y alcanza determinados objetivos.

En general, los objetivos de un sistema inversor son que la señal de salida del

inversor tenga una calidad del 100 %, es decir que sea una señal sinusoidal perfecta, que la amplitud de la señal sea máxima y que no haya pérdidas en el proceso de

conversión. A esto hay que añadir que el sistema ha de ser simple, en cuanto a los circuitos y su programación, y con el coste mínimo. Hasta hoy, estos objetivos no han

sido alcanzados totalmente. Sin embargo, a lo largo del tiempo se han desarrollado

diferentes técnicas que han ido mejorando la calidad de la señal de salida. Para ello se ha propuesto que a la salida haya distintas formas de onda tales como sinusoidal,

sinusoidal con armónicos adicionales, trapezoidal o cuadrada, entre otras. Por su parte, las distintas formas de obtener estas señales tienen una gran influencia en la

calidad de la señal obtenida. Teniendo en cuenta que el objetivo es disponer de una señal sinusoidal sobre la que se pueda controlar sus parámetros de amplitud,

frecuencia y contenido de armónicos, ninguna de las técnicas de modulación actuales logra una señal con la calidad ideal.

En esta tesis se desarrolla un método de modulación denominada TPWM-DM

(Trapezoidal PWM with Direct Modulation), que utiliza la técnica de modulación directa y una forma de onda específica como objetivo a la salida del inversor, una

señal trapezoidal, mejora de forma notable los resultados de muchas otras técnicas, obteniendo una gran amplitud de la frecuencia fundamental, pocas componentes

armónicas, control de la amplitud y de la frecuencia de la señal obtenida. Además, es una técnica que sintetiza la forma de onda en el propio modulador (técnica de señal

(16)

La técnica de modulación directa se diferencia de las técnicas clásicas de modulación PWM en que no necesita de señales portadora y moduladora, lo cual

simplifica el procedimiento de obtención de la señal modulada.

La utilización de una señal trapezoidal, como objetivo a la salida del inversor, se debe a tres características importantes de esta señal: la frecuencia fundamental

tiene una gran amplitud, las componentes armónicas que la forman no tienen gran amplitud y las ecuaciones que la definen son lineales. Las dos primeras aportan una

mejora notable en cuanto a la calidad de la señal de salida del inversor, mientras que la tercera hace que el proceso de modulación se rija por ecuaciones lineales

fácilmente implementable con medios digitales de bajo costo. Esta linealidad en el

proceso de modulación hace que no sea necesario utilizar las ecuaciones propiamente ya que los distintos patrones de conmutación de la modulación se obtienen a partir

de un único vector-semilla por medio de una simple multiplicación. Esto minimiza

los requerimientos computacionales del modulador, permitiendo que se pueda utilizar un microcontrolador comercial de bajo costo. Esta solución no ha sido encontrada en

la documentación técnica sobre el tema.

El resultado de este desarrollo es que, aparte de las mejoras ya citadas respecto a otros métodos de modulación, estableciendo determinados valores paramétricos en

la modulación se logra que la señal de salida tenga calidad más que suficiente como para poder eliminar los filtros de salida del inversor para aplicaciones que tengan que

estar de acuerdo con la norma UNE-EN 50160, “Características de la tensión suministrada por las redes generales de distribución”, sobre la calidad de la señal en

la red de suministro eléctrico. Este es un ahorro económico adicional importante en cuanto a los costes directos del sistema, el mantenimiento del mismo y también en

el ahorro energético, ya que se reducen las pérdidas en el conjunto.

Las características finales de la señal que se consigue con esta técnica de modulación se han obtenido inicialmente por medio de simulación (Capítulo 4), para

luego realizar la implementación de la misma utilizando diferentes dispositivos microcontroladores (Capítulo 5), corroborando que los resultados obtenidos de la

simulación se corresponden con los medidos en el banco de pruebas (Capítulo 6). En este mismo capítulo se comparan los resultados con los equivalentes obtenidos con

(17)

En el Capítulo 7 se hace un resumen de las conclusiones obtenidas de las experiencias realizadas, tanto en simulación como en experimentación.

Vistos los resultados anteriores, se proponen diferentes líneas futuras de

(18)

Abstract

Characteristics of a PWM modulated waveform such as the amplitude of the fundamental frequency or harmonic components profile, depend on the technique

used to obtain the waveform. Each technique aims and reaches certain goals.

Generally speaking, the main objective of an inverter system is to obtain a

perfect sinusoidal signal with the highest possible amplitude, without harmonics

components and minimun losses in the generation process. Furthermore, the system must be simple, in terms of hardware and software, and with the minimum cost. Until

now, these objectives have not been achieved all together. However, over time have been developed various techniques which have improved the quality of the output

signal. To achieve this, various waveforms for the output signal have been proposed, such as pure sinusoidal, sinusoidal with additional harmonics, trapezoidal or square

waveform, among others. The modulation technique used to obtain the output signal have a close influence on the quality of the waveform finally obtained.Taking into

account that the objective is to have a sinusoidal signal whose amplitude, frequency and harmonics profile can be controlled, none of the current modulation techniques

achieves the signal with an ideal quality.

In this thesis, a PWM modulation technique (direct modulation) is developed which, together with a specific waveform as objective at the inverter output (a

trapezoidal signal), significantly improves the results of many other modulation techniques, obtaining a large amplitude for the fundamental frequency, a very good

harmonics profile, and allowing control over amplitude and frequency of the obtained signal (fundamental frecuency).

Moreover, it is a technique that allows synthesize the waveform inside the

modulator (signal generated technique), which makes the inverter system can respond on line to the requirements of the load.

The direct modulation technique does not need a carrier signal and a modulator

(19)

Using a trapezoidal waveform as objective at the inverter output is due to three

important characteristics of this signal: the fundamental frequency has a large amplitude, the harmonic components are not of great amplitude and the equations

which define the waveform are linear. The first two characteristics make a significant improvement in the quality of the inverter output signal, while the third one makes

the modulation process is easily implemented with low-cost digital devices.

The result of this development is that, apart from the already mentioned improvements over other modulation techniques, setting specifics modulation

parameter, the output signal has more than enough quality to eliminate the inverter output filters, for applications that must fulfil the EN 50160 standard, “Voltage

Characteristics in Public Distribution Systems”. This means an additional significant cost savings in terms of direct costs of the system, maintenance, and energy savings,

as the system losses are reduced.

The final characteristics of the obtained signal by using this modulation technique were initially obtained by simulation (Chapter 4), and then it was

implemented by using different microcontroller devices (Chapter 5), corroborating that the obtained results by simulation correspond to those measured in the

experimental test benches (Chapter 6). After obtaining the actual results, these have

been contrasted with their counterparts obtained with other modulation techniques (Chapter 6).

Chapter 7 summarizes the conclusions drawn from the experiences in both simulation and experimentation.

Having regard to the above results, various future research are proposed in

(20)

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ÍNDICE GENERAL i

Índice de contenido

Capítulo 1. Introducción . . . 1-1

1.1 Objetivos . . . 1-1

1.2 Bases . . . 1-4

1.3 Metodología . . . 1-5

1.4 Contenido . . . 1-6

Referencias . . . 1-7

Capítulo 2. Inversores de potencia . . . 2-1

2.1 Topologías . . . 2-1

2.1.1 Clasificación . . . 2-1

2.1.2 Inversor monofásico de medio puente . . . 2-2

2.1.3 Inversor monofásico de puente completo . . . 2-3

2.1.4 Inversor trifásico . . . 2-7

2.2 Tiempos muertos . . . 2-10

2.3 Aplicaciones de los inversores . . . 2-10

2.4 Técnicas de modulación PWM . . . 2-11

2.4.1 Modulación PWM . . . 2-12

2.4.2 PWM por modulación directa . . . 2-18

2.4.3 Otras formas de modulación PWM . . . 2-19

2.4.4 Clasificación de las técnicas PWM . . . 2-20

Capítulo 3. La técnica TPWM-DM . . . 3-1

3.1 Introducción . . . 3-1

3.2 Modulación directa . . . 3-1

(24)

ÍNDICE GENERAL ii

3.3.1 Límites de la forma de onda . . . 3-3

3.3.2 Espectro de frecuencias de la señal trapezoidal . . . 3-4

3.3.3 Amplitud de la frecuencia fundamental . . . 3-6

3.3.4 Simetrías en la señal trapezoidal . . . 3-8

3.3.4.1 Efectos de la falta de simetría . . . 3-9

3.3.5 Simetría en la señal modulada . . . 3-13

3.4 Modulación de la señal trapezoidal . . . 3-14

3.4.1 Metodología . . . 3-14

3.4.2 Sobre los pulsos . . . 3-16

3.4.3 Modulación de la señal en el caso de alimentación simple

. . . 3-17

3.4.3.1 Modulación de la señal durante el tiempo de subida . . . 3-19

3.4.3.2 Modulación de la señal durante el tiempo de bajada . . . 3-25

3.4.4 Modulación de la señal en el caso de alimentación doble

. . . 3-35

3.5 Construcción de la señal modulada . . . 3-39

3.5.1 El vector-semilla . . . 3-46

3.6 Control de la frecuencia . . . 3-47

3.7 Control de la amplitud . . . 3-50

3.7.1 Control de la amplitud por cambio del tiempo de subida

. . . 3-50

3.7.2 Control de la amplitud por modulación de t_H y t_L . . . 3-50

Capítulo 4. Simulación . . . 4-1

4.1 Objetivos . . . 4-1

4.2 Generador de un periodo de señal . . . 4-2

4.2.1 Modulación de tr y tf . . . 4-4

(25)

ÍNDICE GENERAL iii

4.2.1.2 La señal durante t_r y t_f . . . 4-6

4.2.1.3 La señal durante tH y tL . . . 4-7

4.2.2 Generador de la señal modulada . . . 4-9

4.3 Medidor de características . . . 4-10

4.3.1 Preparación de la señal . . . 4-10

4.4.1 Medida de los indicadores THD, WTHD, DF, V₁ pu y f₁ . . . 4-14

4.4.2 Medida del indicador LOH . . . 4-15

4.4.3 Medida del indicador PF50160 . . . 4-16

4.5 Automatización de las medidas . . . 4-18

Capítulo 5. Implementación . . . 5-1

5.1 Implementación 1. Por tablas . . . 5-1

5.1.1 Requerimientos del sistema . . . 5-2

5.1.2 Esquema del sistema . . . 5-11

5.1.3 Programación . . . 5-13

5.1.3.1 Funcionamiento de la rutina de interrupción de la

modulación . . . 5-13

5.2 Implementación 2. Bajo control de un ordenador personal . . . 5-17

5.3 Implementación 3. Autónoma . . . 5-26

5.4 Implementación 4. Trifásica completa . . . 5-27

Capítulo 6. Resultados . . . 6-1

6.1 Resultados de la simulación . . . 6-1

6.2 Resultados de la implementación . . . 6-19

6.2.1 Formas de onda obtenidas . . . 6-19

6.2.2 Medidas de tiempos . . . 6-24

6.2.3 Medidas de frecuencia y armónicos . . . 6-25

(26)

ÍNDICE GENERAL iv

6.3.1 Caso de estudio 1: Análisis para M = 7 . . . 6-33

Capítulo 7. Conclusiones . . . 7-1

7.1 La modulación TPWM-DM . . . 7-1

7.2 Simulación . . . 7-1

7.3 Implementaciones . . . 7-1

7.4 Las señales trapezoidales . . . 7-2

7.5 El vector-semilla . . . 7-2

7.6 Frecuencia de la señal . . . 7-3

7.7 Calidad de la señal . . . 7-3

7.8 Resumen de conclusiones . . . 7-3

Capítulo 8. Futuras líneas de investigación . . . 8-1

Anexo A1. Indicadores de calidad . . . A1-1

A1.1 Distorsión armónica total . . . A1-1

A1.2 Distorsión armónica total ponderada . . . A1-2

A1.3 Factor de distorsión . . . A1-3

A1.4 Amplitud fundamental pu . . . A1-4

A1.5 Indicador LOH . . . A1-5

A1.6 Indicador PF50160 . . . A1-5

A1.7 Frecuencia fundamental . . . A1-6

(27)

ÍNDICE GENERAL v

Anexo A2. Resultados de la simulación . . . A2-1

Anexo A3. Programación del

:

C . . . A3-1

A3.1 Definiciones . . . A3-1

A3.2 Rutina de interrupción del temporizador 1 . . . A3-3

A3.3 Programa de inicio de funcionamiento . . . A3-4

A3.4 Programa principal . . . A3-7

A3.5 Rutina de arranque suave . . . A3-9

A3.6 Rutina de tratamiento del ADC . . . A3-11

A3.7 Tablas de modulación . . . A3-13

A3.8 Tamaño del programa . . . A3-15

(28)

ÍNDICE GENERAL vi

Índice de figuras

Figura 1.1. Esquema de bloques de un inversor. . . 1-2

Figura 2.1. Inversor en medio puente. . . 2-2

Figura 2.2. Inversor monofásico en puente completo. Esquema básico con

interruptores. . . 2-3

Figura 2.3. Funcionamiento del inversor monofásico en puente completo. . . . 2-4

Figura 2.4. Forma de onda de la señal de salida del inversor de puente completo. . . . 2-4

Figura 2.5. Esquema básico de un inversor monofásico en puente completo

realizado con transistores IGBT. . . 2-5

Figura 2.6. Esquema básico de inversor trifásico. . . 2-7

Figura 2.7. Formas de onda a la salida de un inversor trifásico, . . . 2-8

Figura 2.8. Espectros de frecuencias de las señales de salida. . . 2-9

Figura 2.9. Definiciones de tiempos en una señal no alterna. . . 2-12

Figura 2.10. Definiciones de tiempos en una señal alterna. . . 2-14

Figura 2.11. Formas de onda conmutadas no alternas. . . 2-16

Figura 2.12. Formas de onda conmutadas alternas. . . 2-17

Figura 2.13. Modulación PWM directa de una señal sinusoidal. . . . 2-18

Figura 2.14. Modulación PWM por comparación. . . 2-20

Figura 3.1. Forma de onda de una señal trapezoidal . . . 3-2

Figura 3.2. Forma de onda de una señal trapezoidal cuando t_r = t_f = 0. . . 3-4

Figura 3.3. Forma de onda de una señal trapezoidal cuando t_r = t_f = T/2 . . . 3-4

Figura 3.4. Espectros de frecuencias de tres formas de onda monofásicas. . . . 3-5

Figura 3.5. Espectros de frecuencias de tres formas de onda trifásicas (línea -línea).

. . . 3-6

(29)

ÍNDICE GENERAL vii

Figura 3.7. Simetría impar de una señal trapezoidal. . . 3-9

Figura 3.8. Simetría par de la señal a modular. . . 3-9

Figura 3.9. Señal trapezoidal simétrica y su espectro de frecuencias. . . 3-9

Figura 3.10. Señal trapezoidal asimétrica en t_r y t_f y su espectro de frecuencias. . . . 3-10

Figura 3.11. Señal trapezoidal asimétrica en t_H y t_L y su espectro de frecuencias. . . . 3-13

Figura 3.12. Esquema de inversor trifásico con alimentación simple. . . 3-18

Figura 3.13. Formas de onda en un inversor con alimentación simple. . . . 3-18

Figura 3.14. División de la señal trapezoidal durante el tiempo de subida en N intervalos iguales. . . 3-19

Figura 3.15. Detalle de la señal trapezoidal, a), y la señal modulada, b), durante un intervalo del tiempo de subida. . . 3-21

Figura 3.16. Forma de onda de la señal modulada durante el tiempo de subida para

t_r = 4.000

:

s, N =5 y V_o/V_i = 1. . . . 3-23 Figura 3.17. División de la señal trapezoidal durante el tiempo de bajada en N

intervalos iguales. . . 3-26

Figura 3.18. Detalle de la señal trapezoidal, a), y la señal modulada, b), durante un intervalo del tiempo de bajada. . . 3-27

Figura 3.19. Forma de onda durante el tiempo de bajada para t_f = 4.000

:

s,

N =5 y V_o/V_i = 1. . . 3-31 Figura 3.20. Formas de onda de la señal modulada TPWM-DM con alimentación

simple para N = 5, t_r = 2.000

:

s y V_o/V_i = 1 . . . 3-33

Figura 3.21. Formas de onda de la señal modulada TPWM-DM con alimentación simple para N = 5, t_r = 6.000

:

s y V_o/V_i = 1 . . . 3-34 Figura 3.22. Esquema de inversor trifásico con alimentación doble. . . 3-35

Figura 3.23. Generación de TPWM-DM. a) Alimentación en continua del

inversor. b) Señal objetivo. c) Señal modulada. . . 3-35

Figura 3.24. Formas de onda de la señal modulada TPWM-DM con alimentación doble para N = 5, t_r = 2.000

:

s y V_o/V_i = 1. . . 3-36

(30)

ÍNDICE GENERAL viii

Figura 4.1. Pantalla de usuario del generador de un periodo TPWM-DM para el caso de un inversor con alimentación doble. . . 4-3

Figura 4.2. Módulo de cálculo del tamaño y posición de los pulsos. . . 4-4

Figura 4.3. Valores de tiempos (

:

s) obtenidos del simulador. . . 4-4

Figura 4.4. Cálculo de los vectores Vr y Vf. . . 4-5

Figura 4.5. Salida del bloque generador de los vectores Vr y Vf. . . 4-6

Figura 4.6. Generador de la señal durante t_r y t_f. . . 4-7

Figura 4.7. Generador de la señal durante t_H y t_L. . . 4-8

Figura 4.8. Generador de un periodo de señal modulada. . . 4-9

Figura 4.9. Formas de onda TPWM-DM obtenidas a la salida “WF1T” para f = 50 Hz, t_r = t_f = 3.500

:

s, V_o/V_i = 1 y N = 4. . . 4-9 Figura 4.10. Conformación de la señal para las medidas de características. . 4-11

Figura 4.11. Formas de onda TPWM-DM obtenida por el bloque de conformado de la señal para f = 50 Hz, t_r = t_f = 3.500

:

s, V_o/V_i = 1 y N = 4 y

alimentación simple. . . 4-12

Figura 4.12. Formas de onda TPWM-DM obtenida por el bloque de conformado de la señal para f = 50 Hz, t_r = t_f = 3.500

:

s, V_o/V_i = 1 y N = 4 y

alimentación doble. . . 4-13

Figura 4.13. Módulo para la medida de los indicadores THD, WTHD, DF, V1 pu y

f₁. . . 4-14 Figura 4.14. Módulo para la detección de LOH. . . 4-15

Figura 4.15. Módulo PF50160 para la verificación de la norma EN 50160. . 4-16

Figura 4.16. Conexión del módulo PF50160 en la aplicación. . . 4-17

Figura 4.17. Pantalla principal con el módulo PF50160. . . 4-17

Figura 4.18. Automatización de las medidas. . . 4-18

Figura 4.19. Recopilación de todos los resultados en una única matriz de datos. . . . 4-19

Figura 4.20. Panel de usuario de la aplicación de medida de indicadores. . . . 4-21

Figura 5.1. Funcionamiento de las instrucciones de manejo de tablas . . . 5-3

Figura 5.2. Temporizador 1 del microcontrolador . . . 5-5

(31)

ÍNDICE GENERAL ix

Figura 5.4. Arquitectura de las interrupciones . . . 5-8

Figura 5.5. Esquema básico del modulador. . . 5-11

Figura 5.6. Montaje real del modulador. . . 5-12

Figura 5.7. Flujograma de la rutina de interrupción INTMOD. . . 5-13

Figura 5.8. Esquema de bloques de la implementación 2. . . 5-18

Figura 5.9. Arquitectura de los temporizadores de la familia PIC24F . . . 5-18

Figura 5.10. Arquitectura del módulo CCP en la familia PIC24F . . . 5-19

Figura 5.11. Funcionamiento del módulo CCP en la familia de microcontroladores PIC24F . . . 5-21

Figura 5.12. Placa utilizada para el prototipo de la implementación 2. . . 5-23

Figura 5.13. Banco de pruebas de la implementación 2. . . 5-25

Figura 5.14. Pantalla de control de LabVIEW. . . 5-26

Figura 5.15. Placa de desarrollo de la implementación 4. . . 5-28

Figura 5.16. Banco de pruebas utilizado en la implementación 4. . . 5-29

Figura 6.1. Variación de los indicadores de calidad de la señal de salida TPWM-DM con t_r y t_f, para f = 10 Hz, N = 6 y V_o/V_i = 1. . . 6-4

Figura 6.4. Variación de los indicadores de calidad de la señal de salida TPWM-DM con tr y tf, para f = 75 Hz, N = 6 y Vo/Vi = 1. . . 6-7

(32)

ÍNDICE GENERAL x

Figura 6.15. Formas de onda de la señal TPWM-DM para f = 50 Hz, N = 5. a) t_r = t_f = 2 ms. b) t_r = t_f = 3 ms. . . 6-20

Figura 6.16. Formas de onda de la señal TPWM-DM para f = 50 Hz, N = 5.

a) tr = tf = 4 ms. b) tr = tf = 5 ms. . . 6-21

a) t_r = t_f = 6 ms. b) t_r = t_f = 7 ms. . . 6-22

a) t_r = t_f = 8 ms. b) t_r = t_f = 9 ms. . . 6-23

Figura 6.19. Analizador de espectro HP 3588A. . . 6-25

Figura 6.20. Espectro de frecuencias para f = 50 Hz, N = 5 y tr = tf = 2 ms. . . 6-27

Figura 6.21. Espectro de frecuencias para f = 50 Hz, N = 5 y t_r = t_f = 3 ms. . . 6-28

Figura 6.27. Espectro de frecuencias para f = 50 Hz, N = 5 y tr = tf = 9 ms. . . 6-30

Figura A2.1. Evolución de los indicadores de calidad de la señal de salida TPWM-DM con t_r y t_f, para f = 50 Hz y N = 3. . . A2-3

Figura A2.2. Evolución de los indicadores de calidad de la señal de salida TPWM-DM con tr y tf, para f = 50 Hz y N = 4. . . A2-5

(33)

ÍNDICE GENERAL xi

Figura A2.10. Evolución de los indicadores de calidad de la señal de salida

TPWM-DM con tr y tf, para f = 50 Hz y N = 12. . . A2-21

TPWM-DM con t_r y t_f, para f = 50 Hz y N = 13. . . A2-23

(34)

ÍNDICE GENERAL xii

(35)

ÍNDICE GENERAL xiii

Figura A4.2. Espectro de frecuencias para f = 50 Hz, N = 7, t_r = 2,4 ms y V_o/V_i =1. . . . A4-3

(36)

ÍNDICE GENERAL xiv

Índice de tablas

Tabla 2.1. Valores de la tensión media de una señal conmutada no alterna (V_mc) y de una señal conmutada alterna (V_ma) en función del ciclo de trabajo (D).

. . . 2-15

Tabla 3.1. Valores máximos de la amplitud de la frecuencia fundamental en tres formas de onda. . . 3-7

Tabla 3.2. Amplitud de las componentes armónicas de orden par en la forma de onda monofásica de la figura 3.10. . . 3-10

Tabla 3.3. Amplitud de las componentes armónicas de orden par en la forma de onda trifásica de la figura 3.10. . . 3-12

Tabla 3.4. Amplitud de las componentes armónicas de orden par en la forma de onda monofásica de la figura 3.11. . . 3-12

Tabla 3.5. Amplitud de las componentes armónicas de orden par en la forma de onda trifásica de la figura 3.11. . . 3-12

Tabla 3.6. Valores de tiempos durante t_r para N = 5, V_o/V_i = 1 y varios valores de t_r. . . . 3-23

Tabla 3.7. Valores de tiempos durante t_r para N = 6, V_o/V_i = 1 y varios valores de t_r. . . . 3-25

Tabla 3.8. Valores de tiempos durante t_f para N = 5, V_o/V_i = 1 y varios valores de t_f. . . . 3-30

Tabla 3.9. Valores de tiempos durante t_f para N = 6, V_o/V_i = 1 y varios valores de t_f. . . . 3-32

Tabla 3.10. Valores de tiempo de cada uno de los niveles que forman cada intervalo de modulación de una señal TPWM-DM para N = 5, f = 50 Hz y varios valores de t_r = t_f . . . 3-40

Tabla 3.11. Vectores HL N = 5, f = 50 Hz y varios valores de tr y tf, desde 1.000

:

s hasta 10.000

:

s. . . 3-41

Tabla 3.12. Valores finales de los vectores HL para una señal TPWM-DM con N = 5, f = 50 Hz y varios valores de t_r y t_f , desde 1.000

:

s hasta 10.000

:

s.

. . . 3-42

(37)

ÍNDICE GENERAL xv

Tabla 3.14. Tabla de vectores HL para N = 6, f = 50 Hz y valores de t_r y t_f, desde 1.000

:

s a 10.000

:

s. . . 3-44

Tabla 3.15. Valores finales de los vectores HL para una señal modulada TPWM-DM de 50 Hz, N = 6 y t_r = 1.000

:

s a t_r = 10.000

:

s. . . 3-45

Tabla 3.16. Valores máximos de la frecuencia de la señal TPWM-DM en función de t_r y t_f. . . 3-48

Tabla 3.17. Error en frecuencia debido al redondeo de los tiempos en caso peor. . . . 3-49

Tabla 5.1. Instrucciones específicas del microcontrolador PIC19F425 para el manejo de tablas . . . 5-2

Tabla 5.2. Tamaño necesario de memoria por tabla de modulación según el valor de N. . . 5-4

Tabla 5.3. Ejemplos de tamaños de la tabla de modulación (en bytes) para

distintos valores de pasos de t_r y N. . . 5-4

Tabla 5.4. Frecuencia máxima y mínima de la señal en función de N. . . 5-6

Tabla 5.5. Valores mínimos de tiempos de modulación. . . 5-10

Tabla 5.6. Reorganización de la tabla de modulación para N = 5. . . . 5-21

Tabla 6.1. Resumen de los valores obtenidos en la simulación para N = 6 y N = 9. . . . 6-3

Tabla 6.2. Valores de tiempos medidos en la señal modulada. . . 6-24

Tabla 6.3. Medidas de la frecuencia de la señal modulada. . . 6-25

Tabla 6.4. Medidas de armónicos en una señal modulada TPWM-DM de 50 Hz para N = 5 y t_r = t_f de 2 a 9 ms. . . 6-26

Tabla 6.5. Comparativa de valores medidos y simulados de THD y WTHD para una señal TPWM-DM de 50 Hz para N = 5 y t_r = t_f de 2 a 9 ms. . . 6-27

Tabla 6.6. Comparativa de indicadores de calidad para varias técnicas de modulación. . . . 6-31

Tabla 6.7. Comparativa de indicadores de calidad para M = 7. . . 6-33

(38)

ÍNDICE GENERAL xvi

Tabla A1.1. Perfil de frecuencias establecido en la norma EN 50160. . . A1-6

Tabla A2.1. Valores numéricos de la figura A2.1. . . A2-4

(39)

ÍNDICE GENERAL xvii

Tabla A3.1a. Nombre, descripción y localización de los registros, variables y constantes utilizados en el programa. . . A3-1

Tabla A3.1b. Nombre, descripción y localización de los registros, variables y constantes utilizados en el programa (continuación). . . A3-2

Tabla A3.1c. Nombre y descripción de los registros, variables y constantes

utilizados en el programa (continuación). . . A3-3

Tabla A4.1. Medidas de armónicos para f = 50 Hz, N = 6, t_r = 2 ms y V_o/V_i =1. . . . A4-2

Tabla A4.2. Medidas de armónicos para f = 50 Hz, N = 7, t_r = 2,4 ms y V_o/V_i =1. . . . A4-3

Tabla A4.3. Medidas de armónicos para f = 50 Hz, N = 8, tr = 2,8 ms y Vo/Vi =1.

. . . A4-4

Tabla A4.4. Medidas de armónicos para f = 50 Hz, N = 9, t_r = 3,1 ms y V_o/V_i =1. . . . A4-5

(40)

ÍNDICE GENERAL xviii

Índice de listados

Listado 5.1. Rutina de interrupción de modulación. . . 5-15

Listado A3.1. Rutina de interrupción del temporizador 1. . . A3-4

Listado A3.2a. Programa de inicio del sistema. . . A3-4

Listado A3.2b. Programa de inicio del sistema (continuación). . . A3-4

Listado A3.2c. Programa de inicio del sistema (continuación). . . A3-6

Listado A3.3a. Programa principal del sistema. . . A3-8

Listado A3.3b. Programa principal del sistema (continuación). . . A3-9

Listado A3.4a. Rutina de arranque suave. . . A3-9

Listado A3.4b. Rutina de arranque suave (continuación). . . A3-11

Listado A3.5. Rutina de tratamiento del ADC. . . A3-12

Listado A3.6a. Tablas de modulación TPWM-DM. . . A3-13

(41)

Capítulo 1

(42)

(43)

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1-i

Índice

Capítulo 1. Introducción . . . 1-1

1.1 Objetivos . . . 1-1

1.2 Bases . . . 1-4

1.3 Metodología . . . 1-5

1.4 Contenido . . . 1-6

(44)

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1-ii

Índice de figuras

(45)

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1-1

Capítulo 1. Introducción

El elevado número de aplicaciones de los inversores electrónicos de potencia

hacen que sea un área en permanente evolución tanto desde el punto de vista de su arquitectura física (circuitos) como de su funcionamiento (técnicas de modulación y

de control) realizados estos últimos por medio de sistemas programables

(microcontroladores, FPGAs, sistemas empotrados, etc.).

La creciente preocupación general por el deterioro del medio ambiente debido

a la producción de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles, ha hecho volver la vista hacia técnicas de generación energéticas conocidas desde hace mucho tiempo

como la eólica, la fotovoltaica o la mareomotriz, por ejemplo. Así mismo ha

propiciado el desarrollo de nuevas técnicas como las pilas de combustibles. De todas estas alternativas de generación se obtiene energía eléctrica en corriente continua

(fotovoltaica) o alterna de frecuencia variable con un bajo índice de contaminación. Sin embargo, la red de distribución eléctrica requiere, en muchos casos, que la

energía eléctrica sea de corriente alterna y frecuencia constante. Esto mismo sucede con las redes de suministro industriales y urbanas.

Los inversores electrónicos de potencia tienen muchas aplicaciones en esta

conversión de la energía eléctrica, tanto para la conversión CC-CA como para la adaptación de frecuencia CA-CA.

1.1 Objetivos

Una de las partes que hacen que un inversor funcione con unas determinadas

prestaciones es la técnica de modulación que utiliza. Según sea esta técnica, los resultados son diferentes. Las primeras técnicas desarrolladas se implementaron por

medios analógicos y son la base de muchas de las técnicas utilizadas hoy día en su

(46)

Figura 1.1. Esquema de bloques de un inversor.

Sus principios son conocidos pero su realización con dispositivos no digitales es muy complicada. Las diferencias entre las distintas técnicas de modulación repercuten en

la calidad de la forma de onda final obtenida.

Un inversor se puede ver como un sistema formado por cuatro partes principales (figura 1.1): el bloque de alimentación, que suministra tensión y corriente

continua al bloque inversor; el bloque inversor propiamente dicho, que obtiene la señal de salida como respuesta al patrón de conmutaciones generado por el bloque

modulador; el bloque de control, que genera las contraseñas necesarias para que el bloque modulador modifique el patrón de conmutaciones del bloque inversor; y el

bloque modulador que, en respuesta al bloque de control, genera el patrón de

conmutaciones de la señal modulada de salida para el bloque inversor.

Idealmente, la parte de potencia de un inversor (bloque inversor) “traduce” las

señales de control que la gobierna, que son señales de baja tensión y baja corriente, en señales de alta tensión y alta corriente con las mismas características temporales.

Es decir que se comporta como un fiel convertidor de nivel de las señales de control.

Como las señales de control son conmutadas, la salida del bloque inversor es una señal conmutada.

Es importante saber que las señales que genera el bloque modulador deben de ser fielmente reproducidas por el bloque inversor. De no ser así, las características de

la señal de salida obtenida son diferentes a las esperadas a partir de las señales del

(47)

fielmente a las señales generadas por el bloque modulador, es decir que no deforma estas señales, simplemente las cambia de nivel.

Si el bloque inversor se comporta adecuadamente, las características obtenidas

en las señales del bloque modulador se reflejan automáticamente en la señal de salida del inversor. Dado que estas características son medidas porcentualmente (descritas

en el Anexo A1), los valores de estos parámetros se deben de mantener a la entrada del bloque inversor y a la salida de este.

Esta tesis no trata sobre el bloque inversor en sí mismo, sino del bloque

modulador que genera las señales que actúan sobre el bloque inversor. Es por ello que, si bien se hace una pequeña introducción a los inversores de potencia (Capítulo

2), este no es el núcleo de la tesis.

Esta tesis se centra en la modulación de la señal a la salida del inversor. Dado

que el bloque inversor se comporta como amplificador de las señales que lo

gobiernan, esta tesis se basa en un sistema microcontrolador para desarrollar un método específico (Capítulo 3) que genera las señales patrones de conmutación para

el bloque inversor. Este método tiene unas características concretas que mejoran en algunos aspectos a otros métodos de modulación.

Los objetivos que se persiguen en esta tesis son los siguientes:

• Mejorar el perfil de armónicos (reducir las componentes armónicas) de la señal modulada. Para ello se utiliza una señal trapezoidal como objetivo

a alcanzar a la salida del inversor, que permite mejorar (reducir o incrementar, según corresponda) los indicadores de calidad THD, WTHD,

DF, LOH y PF50160, descritos en el Anexo A1.

• Reducir el coste del bloque modulador. La modulación directa elimina la

necesidad de las señales moduladora y portadora, lo cual simplifica el

algoritmo de generación de las señales de control del inversor (patrones de conmutación). Además, la forma de onda trapezoidal, objetivo de la

modulación, minimiza los recursos computacionales necesarios, pudiéndose

(48)

• Reducir el coste de los filtros de salida. Como consecuencia de la mejora

del perfil de armónicos en la señal de salida, bajo determinadas

circunstancias es posible minimizar los filtros de salida, llegando incluso a su eliminación.

• Reducir las pérdidas en el sistema inversor. Este método de modulación

permite que la amplitud del armónico fundamental de la señal de salida sea grande respecto a otros métodos (indicador de calidad V₁ pu del Anexo A1),

lo que incrementa el rendimiento del sistema.

Como consecuencia de los puntos anteriores, el método desarrollado mejora, en general, las características de los convertidores CC - CA.

1.2 Bases

El trabajo que se desarrolla en esta tesis se basa en el principio de igualdad del producto tensión x tiempo (Vxs) de la señal objetivo a alcanzar y de la señal modulada PWM. Este principio da nombre al método de modulación que lo utiliza como “modulación directa”, ya que obtiene la señal PWM sin utilizar medios indirectos

como señales portadora y moduladora. D. Grahame Holmes y Thomas A. Lipo [1, pág. 146], describen este método como sigue: “El concepto es hacer conmutar el

inversor para conseguir un intervalo de pulso activo por cada intervalo de la portadora que tenga exactamente el mismo valor medio tensión × tiempo que la forma de onda original”. En esta descripción se utiliza la palabra “portadora” con el

significado “señal objetivo a conseguir a la salida del inversor”, y no tiene el

significado habitual en otras técnicas de modulación.

Anteriormente, en 1987, Yoone Ho Kim y Mehrdad Ehsani presentaron un trabajo [2] que proponía la utilización de este método para señales sinusoidales. Sin

embargo, el método es complicado de implementar ya que requiere realizar en directo integrales de funciones trigonométricas en cada intervalo de modulación y esto

necesita una potencia computacional elevada.

(49)

trapezoidal, por lo que después de analizar las propiedades de las señales trapezoidales, se comenzó a trabajar en ello ya que simplifica mucho los cálculos por

ser esta una señal lineal por tramos.

El hecho de que las ecuaciones que definen la señal trapezoidal sean lineales, elimina, el problema de la integración en directo de funciones trigonométricas,

reduciendo drásticamente los requisitos computacionales del sistema modulador. Esta reducción es tanta que sólo es necesario disponer de un multiplicador, como se

justifica en el Capítulo 3, para generar todos los patrones de modulación a partir de

un vector-semilla de pocos elementos.

De las primeas simulaciones realizadas bajo LabVIEW se obtuvieron resultados interesantes que han llevado a la realización de numerosos PFC, que han confirmado,

una y otra vez, los resultados de las simulaciones.

1.3 Metodología

Para el desarrollo de este método de modulación se parte de la forma de onda

ideal objetivo que se desea obtener a la salida del inversor. En este caso se trata de una señal trapezoidal. El análisis de esta forma de onda y el planteamiento de la

técnica de modulación TPWM-DM (Trapezoidal PWM with Direct Modulation) se

realiza en el Capítulo 3. En él se desarrollan las ecuaciones con las que se obtienen los valores de los distintos pulsos que forman la señal modulada.

En una etapa posterior (Capítulo 4), estas ecuaciones se someten a una simulación bajo entorno LabVIEW que permite visualizar las características de la

señal modulada obtenida. La simulación permite, además, evaluar distintos

indicadores de calidad como THD, WTHD, DF, V1 pu, LOH, EN50150 y la frecuencia del armónico fundamental, f₁. Todos estos indicadores están definidos en el Anexo

A1.

La simulación de la señal modulada TPWM-DM se hace de forma que

representa tanto al desarrollo teórico, dado por las ecuaciones, como a la implementación real con sus limitaciones. De esta forma, la simulación se aproxima

(50)

un caso y en otro, como se discute en el Capítulo 5.

Tras este análisis en simulación se realiza la implementación por medio de un dispositivo microcontrolador (Capítulo 5). Realmente se realizan cuatro

implementaciones, que mejoran progresivamente las prestaciones de entorno del modulador, aunque no las de la señal modulada, que se rige siempre por las mismas

ecuaciones.

1.4 Contenido

El trabajo que se desarrolla en este texto consta de ocho capítulos acompañados

de 4 anexos. El contenido de cada una de estas partes es como sigue:

• En el presente Capítulo 1 se hace una introducción al trabajo realizado.

• En el Capítulo 2 se describen, a modo de introducción, algunas topologías

de inversores y se citan diferentes técnicas de modulación PWM.

• En el Capítulo 3 se plantea y desarrolla la técnica TPWM-DM.

• En el Capítulo 4 se utiliza el desarrollo del Capítulo 3 para realizar la

simulación de la técnica de modulación partiendo de las ecuaciones obtenidas, sintetizando la forma de onda TPWM-DM y midiendo sus

características.

• En el Capítulo 5 se describen las implementaciones realizadas y los principios en los que se basan cada una de ellas. Este capítulo está

complementado con el Anexo A3.

• En el Capítulo 6 se presentan las medidas de los resultados obtenidos por medio de la simulación y de los prototipos, y se comparan ambos. Estos

resultados se comparan con los obtenidos en las mismas condiciones por medio de otras técnicas de modulación, pudiéndose observar las mejoras

que aporta. El Anexo A2 y el Anexo A4 complementan este capítulo, aportando resultados adicionales obtenidos de la simulación y de las

(51)

• El Capítulo 7 presenta las conclusiones a las que se llegan de lo expuesto y experimentado a lo largo del trabajo

• En el Capítulo 8 se proponen futura líneas de investigación utilizando esta

técnica.

• En el Anexo A1 se introducen los criterios de calidad de la señal que se han

utilizado en esta tesis.

• El Anexo A2 trata sobre las medidas realizadas en simulación. Amplía el Capítulo 6.

• El Anexo A3 desarrolla la parte de programación del microcontrolador que,

no siendo la modulación de la señal en sí misma, es necesaria para el funcionamiento del modulador. Complementa el Capítulo 4.

• El Anexo A4 contiene una colección de medidas realizadas sobre los

prototipos, comparándose éstas con las obtenidas en simulación. Este anexo amplía el Capítulo 6.

Tanto en los distintos capítulos como en los anexos, las referencias a documentos externos, cuando las hay, se han organizado por cada documento y se

encuentran al final de cada uno de ellos.

Todas las figuras, tablas y listados son originales del autor salvo excepciones. Solamente siete figuras y una tabla no son originales (en el Capítulo 5). En estos

casos se cita la fuente de ellas junto al texto del pie de la figura o tabla.

Referencias

[1] D. Grahame Holmes and Thomas A. Lipo, “Pulse Width Modulation For Power Converters”, IEEE Press, Wiley Interscience 2003, ISBN: 0-471-20814-0. Pag. 146.

[2] Yoone Ho Kim and Mehrdad Ehsani, “An Algebraic Algorithm for Microcomputer-Based (Direct) Inverter Pulse Width Modulation”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. Ia-23, No. 4, July/August 1987.

(52)

(53)

Capítulo 2

(54)

(55)

CAPÍTULO 2. INVERSORES DE POTENCIA 2-i

Índice

Capítulo 2. Inversores de potencia . . . 2-1

2.1 Topologías . . . 2-1

2.1.1 Clasificación . . . 2-1

2.1.2 Inversor monofásico de medio puente . . . 2-2

2.1.3 Inversor monofásico de puente completo . . . 2-3

2.1.4 Inversor trifásico . . . 2-7

2.2 Tiempos muertos . . . 2-10

2.3 Aplicaciones de los inversores . . . 2-10

2.4 Técnicas de modulación PWM . . . 2-11

2.4.1 Modulación PWM . . . 2-12

2.4.2 PWM por modulación directa . . . 2-18

2.4.3 Otras formas de modulación PWM . . . 2-19

2.4.4 Clasificación de las técnicas PWM . . . 2-20

(56)

CAPÍTULO 2. INVERSORES DE POTENCIA 2-ii

Índice de figuras

Figura 2.1. Inversor en medio puente. . . 2-2

Figura 2.2. Inversor monofásico en puente completo. Esquema básico con

interruptores. . . 2-3

Figura 2.3. Funcionamiento del inversor monofásico en puente completo. . . . 2-4

Figura 2.4. Forma de onda de la señal de salida del inversor de puente completo.

. . . 2-4

Figura 2.5. Esquema básico de un inversor monofásico en puente completo realizado con transistores IGBT. . . 2-5

Figura 2.6. Esquema básico de inversor trifásico. . . 2-7

Figura 2.7. Formas de onda a la salida de un inversor trifásico, . . . 2-8

Figura 2.8. Espectros de frecuencias de las señales de salida. . . 2-9

Figura 2.9. Definiciones de tiempos en una señal no alterna. . . 2-12

Figura 2.10. Definiciones de tiempos en una señal alterna. . . 2-14

Figura 2.11. Formas de onda conmutadas no alternas. . . 2-16

Figura 2.12. Formas de onda conmutadas alternas. . . 2-17

Figura 2.13. Modulación PWM directa de una señal sinusoidal. . . . 2-18

(57)

CAPÍTULO 2. INVERSORES DE POTENCIA 2-iii

Índice de tablas

Tabla 2.1. Valores de la tensión media de una señal conmutada no alterna (V_mc) y de

una señal conmutada alterna (V_ma) en función del ciclo de trabajo (D).

(58)

(59)

CAPÍTULO 2. INVERSORES DE POTENCIA 2-1

Capítulo 2. Inversores de potencia

Los inversores de potencia son sistemas electrónicos que se encuentran dentro

del grupo de los convertidores de tensión y corriente continua a alterna (cc-ca) que permiten obtener tensiones y corrientes alternas a partir de tensiones y corrientes

continuas. Además, es posible modificar la amplitud y la frecuencia de la señal de

salida del inversor.

2.1 Topologías

La utilidad de los inversores ha provocado la dedicación de muchos investigadores a estudiarlos y plantear posibles soluciones. Es por eso por lo que hay

una gran variedad de posibilidades en cuanto a su topología. En lo que sigue se citan algunas de ellas. Dado que este trabajo está orientado a los inversores fuente de

tensión (VSI), no se hace referencia a los inversores fuente de corriente (CSI).

2.1.1 Clasificación

Los inversores pueden ser clasificados según diferentes criterios como el

número de fases, su topología, el número de niveles de la señal obtenida, etc.

• Según el número de fases: Monofásicos y polifásicos.

• Según su topología: Medio puente, puente completo, push-pull, etc.

• Según el número de niveles de la señal de salida: Dos niveles y más de dos niveles o multinivel.

Distintas combinaciones de estos criterios dan lugar a un gran número de

(60)

Figura 2.1. Inversor en medio puente. a) Esquema con interruptores. b) Esquema con transistores IGBT. c) Forma de onda de la señal de salida.

2.1.2 Inversor monofásico de medio puente

Esta es la topología más simple [1] [2]. La figura 2.1a) muestra su esquema

realizado con interruptores mientras que en b) se muestra la realización con transistores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). La figura 2.1c) muestra una

de las formas de onda que es posible obtener. La tensión de salida se obtiene entre los

puntos a y n. El funcionamiento de los interruptores es alternativo. En ningún caso los interruptores S_H y S_L (T_H y T_L) pueden estar cerrados en el mismo instante. En la

figura 2.1c) puede verse que la tensión de salida es positiva, +V_dc, durante todo el tiempo que S_H (T_H) está cerrado y S_L (T_L) está abierto (intervalos 1 y 3 en la figura

(61)

CAPÍTULO 2. INVERSORES DE POTENCIA 2-3 Figura 2.2. Inversor monofásico en puente

completo. Esquema básico con interruptores.

2.1.3 Inversor monofásico de puente completo

Un inversor monofásico de puente completo se construye en base a la topología

descrita anteriormente [1] [2], como se muestra en la figura 2.2, que representa el esquema básico de un inversor monofásico de dos niveles y consta de dos ramas

denominadas A y B. En cada una de ellas hay dos interruptores (S_AH y S_AL en la rama

A y SBH y SBL en la rama B). La salida se toma entre los puntos medios de cada rama (puntos a y b, en la figura). De esta forma, haciendo que los interruptores estén

cerrados o abiertos en un determinado orden, la tensión en los terminales de salida, a y b, toma valores de diferente polaridad.

Cuando el inversor se alimenta con una tensión continua V_dc (bus de continua

o DC-link), el valor de la tensión entre los punto a y b es como sigue (figura 2.3):

• V_ab = +V_dc cuando los interruptores S_AH y S_BL están cerrados (en conducción)

y los interruptores S_AL y S_BH están abiertos (sin conducir). La corriente circula en el sentido de a

÷

b, representada por la línea roja discontinua en

la figura 2.3a).

• V_ab = -V_dc cuando los interruptores S_AL y S_BH están cerrados y los interruptores S_AH y S_BL están abiertos. En este caso la corriente circula en el

(62)

Figura 2.3. Funcionamiento del inversor monofásico en puente completo.

Figura 2.4. Forma de onda de la señal de salida del inversor de puente completo. La figura 2.4 muestra la forma de onda que se obtiene en la carga y los estados de cada interruptor en cada intervalo de tiempo.

Dada la estructura de las ramas, los interruptores de una misma rama nunca

pueden estar en conducción simultáneamente. Si esto sucediera, el bus de alimentación V_dc sería cortocircuitado con las correspondientes consecuencias de

posible destrucción de los interruptores y/o de la fuente de alimentación.

Las figuras 2.2 y 2.3 son esquemas genéricos realizados con interruptores. En la práctica se utilizan interruptores electrónicos (transistores) haciéndolos trabajar en

(63)

CAPÍTULO 2. INVERSORES DE POTENCIA 2-5 Figura 2.5. Esquema básico de un inversor monofásico en

puente completo realizado con transistores IGBT.

(equivalente a un interruptor cerrado). La figura 2.5 muestra el esquema correspondiente a un inversor monofásico en puente completo realizado con

transistores IGBT. Estos interruptores electrónicos permiten conmutaciones a una frecuencia relativamente alta (algunas decenas de kHz), lo cual es imposible realizar

con interruptores electromecánicos. Los transistores de la figura 2.5 conducen cuando se aplica una tensión positiva a las entradas G_XY (G_AH, G_AL, etc.) respecto a sus

respectivos emisores y se apagan cuando se aplica 0V o tensión negativa a estas mismas entradas, también respecto a sus correspondientes emisores.

Sin embargo, los interruptores electrónicos no son interruptores ideales

(resistencia nula cuando conducen y resistencia infinita cuando no conducen) presentando algunos inconvenientes, como son los siguientes:

1. Existe una corriente de fuga en los transistores cuando están en corte. Sin

embargo, es una corriente de valor pequeño y en la práctica no supone una pérdida importante, por lo que no se suele tener en cuenta.

2. Presentan una caída de tensión residual cuando están en conducción, V_CEsat, en los BJT (Bipolar Junction Transistor) e IGBT, y V_DSon, en los MOSFET

(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). En el caso de